Способ и установка для подготовки питьевой воды

 

Изобретение относится к области подготовки питьевой воды электрохимическим способом. Сущность: в способе, включающем анодное окисление, каталитическое доокисление и катодное восстановление, дополнительно введена магнитная обработка воды при ее транспортировке из анодной камеры электролизера в катодную, электрохимическую обработку ведут при плотности тока на аноде, большей плотности на катоде, а катализатором доокисления служит двуокись титана. В установке, содержащей механический фильтр, электролизер с ионоселективной мембраной, на трубопроводе, соединяющем анодную камеру с катодной, установлен кольцевой магнит, трубопровод выполнен из немагнитного материала, анод и катод -из титана, анод частично имеет антикоррозионное электропроводное покрытие. Площадь катода сделана большей, чем площадь электропроводного покрытия на аноде, что обеспечивает повышенную по сравнению с катодом плотность тока на аноде. Сорбционный фильтр установки предотвращает попадание в воду продуктов старения органических материалов. 1 табл. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

Изобретение относится к области подготовки (очистки) воды, преимущественно питьевой, электрохимическим способом и может быть использовано в бытовых, полевых и коммунальных условиях.

Известен способ обеззараживания воды биоцидными продуктами, которыми обогащается вода при ее прокачке в межэлектродном пространстве бездиафрагменного электрохимического реактора. Эффект очистки усиливается за счет прямого окисления органических примесей при их контакте с анодом (авт.св. СССР N 1010018 СССР, кл. C 02F 1/46, опубл. 07.04.83). Установки, работающие по этому способу, снабжаются устройствами для турбулизации потока воды, дополнительными пассивными электродами, специальными покрытиями анода для обеспечения равномерного воздействия на весь объем воды, а также для усиления выделения кислорода и задержки образования хлора (см. Г.Д.Мериш, А.А.Тейшева, Д. Л. Басин. Обеззараживание природных и сточных вод с использованием электролиза. М., Стройиздат. 1982 г., с. 81, а также патент Великобритании N 1526637, 1978 г.).

Достоинствами данного способа и установок, по нему работающих, являются отсутствие расходуемых материалов и простота конструкции.

К недостаткам следует отнести невысокую степень очистки воды от споровых форм микроорганизмов и многих вирусов, что связано с относительно низкой биоцидной активностью продуктов электролиза и взаимной нейтрализацией анодных и катодных продуктов реакций, смешиваемых в общем объеме.

Значительно большего эффекта очистки воды достигают ее обработкой в диафрагменном электрохимическом реакторе.

Данный способ (см. В.М. Бахир. Очистка питьевой воды. В сб. Электрохимактивация. Новая техника. Новые технологии. Вып. 5. М., 1992. С. 6) включает анодное окисление воды, при котором биоцидные продукты реакций и прямое окисление органических примесей уничтожают основную часть микроорганизмов и этих примесей, а окончательная очистка (доокисление органических веществ) и снижение концентрации биоцидных агентов до безопасной нормы происходят при помощи атомарного кислорода и OH радикалов, образующихся при прохождении воды через каталитический реактор, заполненный, например, углерод-оксидномарганцевым катализатором. Параллельный поток воды, составляющий около 0,1% основного, пропускают через катодную камеру, где наблюдается повышенная концентрация ионов тяжелых металлов. Вода из катодной камеры сбрасывается в канализацию. Данный способ реализован в установках "Сапфир" совместной Российско-Британской компании "Эмеральд".

Недостатками данных способа и устройства (установки) являются сброс воды в канализацию с повышенным содержанием тяжелых металлов, сложность установки (наличие трех камер), необходимость периодической промывки катодной камеры раствором соляной кислоты для удаления карбонатных отложений, необходимость подключения к канализации.

Наиболее близким, взятым за прототип, к заявляемому является способ очистки воды, заключающийся в последовательном пропускании воды через анодную камеру электрохимического реактора, слой углерод-оксидномарганцевого катализатора, помещенного в отдельной емкости, и затем через катодную камеру этого же реактора, где происходит прямое электролитическое и гомогенное каталитическое восстановление с участием высокоактивных соединений: OH^-, H₃O₂^-, H₂, HO₂^-, H₂O₂, H₂O₂^-. При этом ионы тяжелых металлов превращаются в нейтральные атомы, нетоксичные для организма человека и не вступающие в биохимические реакции окисления.

Способ реализован в установке для очистки питьевой воды "Изумруд" Российско-Британской компании "Эмеральд" (см. В.М. Бахир. Очистка питьевой воды. В сб. Электрохимактивация. Новая техника. Новые технологии. Вып. 5. С.8. М., Рекл.-изд. центр "ЯиК". 1992 г.). Установка снабжена электролизером, который состоит из анодной и катодной камер, разделенных ионоселективной мембраной, нерастворимым анодом из платинированного титана, источником постоянного тока и механическим фильтром на входе установки.

К недостаткам данного способа относятся сложность способа и установки, необходимость использования углерод-оксидномарганцевого катализатора и дорогостоящего платинированного титана, обеднение питьевой воды основными ионами кальция и магния, тогда как содержание кальция согласно санитарным нормам недолжно быть ниже 20 мг/л (см. Методические указания по санитарному контролю за применением и эксплуатацией электродиализных опреснительных установок. М. , Минздрав СССР, 1975, с. 23), сравнительно невысокая производительность, незащищенность установки от случайного проскока органических загрязнителей к потребителю.

Для повышения качества воды, упрощения и удешевления процесса ее подготовки, увеличения его производительности в заявляемом способе, включающем анодное окисление, каталитическое доокисление органических примесей и катодное восстановление, в качестве катализатора используют двуокись титана, процесс ведут при плотности тока на аноде большей, чем плотность тока на катоде, а воду, прошедшую анодное окисление, при транспортировке в катодную камеру подвергают воздействию магнитного поля.

Для достижения выше названных целей установка подготовки питьевой воды, содержащая механический фильтр, электролизер, состоящий их двух камер, анодной и катодной, разделенных ионоселективной мембраной и соединенных трубопроводом, источник постоянного тока и сорбционный фильтр, снабжена кольцевым магнитом, который устанавливается концентрично трубопроводу, выполненному из немагнитного материала, анод и катод изготовлены из титана, на поверхность анода нанесено электропроводящее коррозионно-стойкое в данных условиях покрытие, а площадь участка анода, имеющего это покрытие, меньше площади катода. В частном случае этим покрытием может быть сочетание окиси кобальта с двуокисью марганца.

В процессе обработки воды в анодной камере происходит как электрохимическое, так и каталитическое окисление органических соединений: электрохимическое непосредственно у имеющей покрытия поверхности анода, каталитическое на свободной поверхности титанового стержня. Двуокись титана, которая пассивирует поверхность титанового стержня и контактирует с водой в процессе электрообработки, является катализатором окисления подобно оксидмарганцу. Кроме того, в реакционной смеси, какой является анолит, образуются перекисные соединения титана, окислительная способность которых приравнивается к окислительной способности перекиси водорода.

Сочетание Co₃O₄ с MnO₂ на титановой основе дает возможность получить электрохимически стойкий анод с максимальным выходом гипохлорида по току, который является основным окислителем органических соединений.

Затраты электроэнергии при выделении хлора на аноде примерно пропорциональны квадрату плотности тока. Следовательно, целесообразно задавать высокую плотность тока на аноде и низкую на катоде, т.е. применять электрическое поле, силовые линии которого сгущались бы по направлению к аноду.

Такая геометрия электрического поля благоприятно способствует обеззараживанию воды, т.к. в неоднородном электрическом поле происходит поляризация бактериальной клетки, благодаря чему ускоряется ее движение к аноду и к ее гибели из-за высокой напряженности у поверхности анода.

Требуемое соотношение плотностей тока достигается изменением соотношения площади катода и площади анода, имеющей покрытия.

Замена дорогостоящего анода, имеющего покрытия из драгметалла (платина), на предлагаемый позволяет отказаться от специально вводимого катализатора и соответственно от каталитического реактора.

Интенсификации процесса и повышение качества воды достигают включением в процесс магнитной обработки. Известно (см., например, В.И.Классен. Омагничивание водных систем. М., Химия. 1982. С. 60-61, 162, 183), что магнитная обработка воды увеличивает растворимость карбонатов кальция и магния, что препятствует объединению воды этими веществами, повышает биологическую и химическую активность, концентрацию кислорода, pH и электропроводность, что интенсифицирует процесс, а также экономит электроэнергию.

Повышение pH раствора при воздействии магнитного поля способствует осаждению ионов металлов (железа, хрома, цинка, алюминия, титана и др.), которые полностью осаждаются при pH 7...8,5.

Вода, проходя через анодную камеру, обогащается газовой смесью. Магнитная обработка газовой смеси способствует образованию неустойчивых ассоциаций ионов тяжелых металлов с газовыми продуктами. Эти ассоциаты в катодной камере перегруппировываются, переходя из растворимой формы во взвешенную, оседают в катодной камере. Это также интенсифицирует процесс. Степень очистки от органических примесей определялась по химическому поглощению кислорода (ХПК). В данном конкретном примере исходное содержание органических примесей было 5,68 мг/л, магнитная индукция в зазорах между магнитами 150 мТл.

Из примера видно, что при одинаковой скорости прокачки воды степень очистки от органических примесей по предлагаемому способу заметно выше, а заданную степень очистки достигают при значительно большей скорости потока, т.е. при большей производительности, чем при обработке по способу-прототипу.

Сравнительные испытания двух способов по содержанию неорганических примесей (см. таблицу), приведенные в тех же условиях, также показали более высокую эффективность заявляемого способа. Производительность была взята одинаковой 10 л/мин.

Включение в процесс подготовки воды магнитной обработки эффективно только на стадии прохождения воды от анодной камеры в катодную при значении магнитной индукции в зазорах между магнитами более 100 мТл. Снижение магнитной индукции (менее 100 мТл) ведет к падению степени очистки воды. Было отмечено, что оптимальной величиной для данной установки является магнитная индукция в зазорах между магнитами от 100 до 200 мТл. Увеличение магнитной индукции (выше 200 мТл) значительного роста степени очистки воды не дает.

Магнитная обработка до электрохимической, повышая pH, снижает эффективность окислительного процесса в анодной камере. Та же обработка после электрохимической бесполезна, т.к. не влияет на качество очищенной воды. Конструкция установки поясняется чертежом.

На чертеже представлена заявляемая установка в двух сечениях. Она содержит механический фильтр 1, электролизер 2, состоящий из анодной 3 и катодной 4 камер с разделительной ионоселективной мембраной 5, соединяющего обе камеры трубопровода 6, концентрично которому установлен магнит 7, источник постоянного тока 8 и сорбционный фильтр 9. Анод 10 и катод 11 изготовлены из титана, а трубопровод 6 - из немагнитного материала. Сорбционный фильтр введен в установку согласно упомянутым выше "Методическим указаниями по санитарному контролю за применением и эксплуатацией электродиализных опреснительных установок". Целесообразность применения этих фильтров связана не только с использованием их в качестве надежных дезодорантов, но и для задержки органических веществ, которые могут появиться в воде в результате старения применяемых в электрохимических установках полимерных материалов.

Композиционное покрытие анода наносят или электрохимическим осаждением, или намоткой на анод титановой ленты, имеющей покрытие. При этом участки, имеющие покрытие, обеспечивают электропроводимость, а без покрытия пассивируются, и образующаяся двуокись титана служит катализатором процесса доокисления органических примесей. Площадь катода в конкретном случае составляет 2,5 дм², площадь анода -1,01 дм², причем площадь покрытой его части - 0,8 дм².

Конкретная установка имеет производительность до 12 л/ч воды, соответствующей ГОСТ 2874-82 "Питьевая вода". Снабжена постоянным магнитом с индукцией 250 мТл и подключается к водопроводной сети. Работает в температурном режиме от +5^oC до +50^oC при питании от сети переменного тока 220 B, 50 Гц, рабочем напряжении в электролизере 12 B, потребляя мощность до 6 Вт. Размеры установки 130 х 175 х 360 мм. Масса 2,8 кг. В установке применены материалы, разрешенные Минздравом РСФСР.

Формула изобретения

1. Способ подготовки питьевой воды, включающий электрохимическое анодное окисление, каталитическое доокисление органических примесей и катодное восстановление, отличающийся тем, что в качестве катализатора используют двуокись титана, процесс ведут при плотности тока на аноде большей, чем плотность тока на катоде, а воду при перекачке из анодной камеры в катодную подвергают воздействию магнитного поля.

2. Установка подготовки питьевой воды, содержащая механический фильтр, электролизер, состоящий из анодной и катодной камер, разделенных наноселективной мембраной и соединенных трубопроводом для перекачки воды из анодной камеры в катодную, источник постоянного тока и сорбционный фильтр, отличающаяся тем, что установка снабжена кольцевым магнитом, установленным концентрично трубопроводу, трубопровод выполнен из немагнитного материала, анод и катод выполнены из титана, часть поверхности анода имеет электропроводящее антикоррозионное покрытие, причем площадь участка анода, имеющего это покрытие, меньше площади катода.

3. Установка по п.2, отличающаяся тем, что электропроводящее антикоррозионное покрытие анода выполнено из окиси кобальта и двуокиси марганца.

4. Установка по п.2, отличающаяся тем, что электропроводящее антикоррозионное покрытие анода имеет форму спирали.

5. Установка по п.2, отличающаяся тем, что установка снабжена кольцевым постоянным магнитом с магнитной индукцией 100 200 мТл.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2